可见光通信在智能照明中的室内定位应用

可见光通信在智能照明中的室内定位应用

牛衍方1，孙德栋2

(1.北京申安投资集团有限公司，北京 102602；2.国网信息通信产业集团有限公司，北京 100031)

摘 要：本文从依托照明控制平台的智能路灯概述信息技术的进步与发展，引出可见光通信定位技术的发展。比较了几种常见的室内定位技术，相比发现，单一技术无法完全解决室内定位需求，若还是依托智能照明控制平台，可见光通信定位将是最具有实现商业化、产业化的方式。可见光通信与智能照明技术的融合，不仅向人们提供了良好的照明，还可提供信息服务，如商业信息推送、应急救援、公共设施精确查找等。

关键词：智能照明；可见光通信；室内定位

引言

在建设智慧城市的热潮中，户外LED智能路灯已然成为城市实现物联网的标志性品类，集合了节能照明、无线WiFi、充电桩、环境检测、灯杆屏、数据监控、摄像头，依托照明控制平台实现城市基础设施互联。户外LED智能路灯所具备的天然地理位置优势，不仅单是城市的基础电力设施，因其具有的交叉覆盖的特性，已然成为智慧城市建设的一大突破口。户外LED智能路灯这一综合性产品，或将是智慧城市建设中需求量最大的产品品类。同时也为照明产业带来了无限的想象空间。

智慧城市的建设离不开信息技术的进步与发展，特别是以大数据处理、云计算、移动互联网、物联网为代表的新一代信息技术的创新发展。为建设智慧城市提供了有机理的基础，为更好的迎合以人为本的市场需求提供了创新性的技术应用。

面对室内照明走向智能化的趋势，而目前的智能照明主要是利用无线或有线通信技术实现远程控制，仅仅监控着灯具的电参数，却忽视了光参数的监测。智能照明，应是提供人们良好的可见度、舒适愉快的光环境、具备完整的监控功能，同时应结合自身优势向人们提供信息服务。近几年出现的可见光通信技术，为LED照明在智能化方向上提供了新的创新应用。

1 室内定位现状

说起定位，大家自然都会想到GPS，在室内因无法接收到卫星信号，而不能进行定位。随着室外定位(GPS)和基于位置的服务(地图+导航)为用户带来的良好体验；特别是其所能带来的巨大的应用和商业潜能。对室内定位技术提出了更高的要求和更多的需求。

室内定位面临很多独特的挑战，比如说室内的环境动态性很强，不同室内具有不同的布局；某些室内环境位置区分精细，就需要更高精度来分辨不同的特征。虽然许多无线通信芯片来源于国外，但在应用上也受到单一技术无法解决各种挑战，并且不同解决方案存在不同的优势和不同的局限。国内外在室内定位技术应用领域都处于技术尝试阶段。

其中可见光通信技术中的图像传感器成像法是最具有发展潜力的通信定位方法，其定位精度高于其他定位算法的定位精度，并且能兼具定位速度快、移植性好的优点。随着MIMO技术的发展以及智能拍照手机的普及，是未来可见光室内定位技术的发展方向。

2 室内定位技术对比

2.1 超带宽定位技术

UWB(Ultra-Wide-Band，超带宽)是一种以极低功耗在短距离内高速传输数据的无线技术，利用纳秒级的非正弦波窄带脉冲传输数据，从3.1GHz～10.6GHz之间的7.5GHz带宽频率为UWB使用的频率范围。具有很强的穿透性，定位系统采用TDOA(到达时间差)算法，测距精度可到达2.5 cm，测距距离可达到500 m。该系统由定位标签、定位基站、位置计算引擎组成，可用于复杂环境下人员、物品的精准定位。缺点很明显就是，需要增设定位基站，对人员、物品加装定位标签(表1)。

2.2 WiFi定位技术

需要事先把各个位置上的信号特征(信号强度)测量一遍，存入指纹数据库。定位时，将当前的信号特征与指纹库中的进行匹配，从而确定位置。目前Wifi定位精度能达到米级，虽然没有像UWB、蓝牙等达到厘米级，但由于Wifi网络的普及、商业推广更容易等优点，被百度、高德、四维等公司看好。无需增设信号发生器，就可很快辅助传统商业(购物中心、百货店、大卖场)转向移动互联网应用的商业模式。从成本上看，Wifi定位精度越高其构造成本将大幅度提高。还需解决干扰信号对精度影响、海量用户并行访问等问题。

2.3 蓝牙定位技术

蓝牙技术是一种基于Buletooth-Low Energy(BLE，低功耗蓝牙)的信号广播设备，每一个设备有且只有唯一的ID。最近推出的iBeacon就是利用这种特性，在一个区域内广播自己的信号，通过这种方式它就完成了对一个特定的区域的标记。当用户拿着手机进入iBeacon的范围时，手机中的APP将会被唤醒，这样手机就可以感知到用户的地理位置发生了变化，判断是否要触发一些事件 [2]。

2.4 Zigbee定位技术

Zigbee技术是一种新兴的低成本、低功耗、低速率的短距离无线通信技术。定位原理与射频识别基本类似都是通过在待定区域布置参考点，Zigbee参考节点间可相互连接自组成网路系统，当待定位区域出现被感知对象的信息时，在通信距离内的参考节点能快速的采集到这些信息，同时利用路由广播的方式把信息传递给其他参考节点，最终形成一个信息传递链并经过信息的多级跳跃回传给终端电脑加以处理，从而实现对一定区域的长时间监控和定位。

2.5 可见光定位技术

可见光通信作为一种新兴无线通信方式，因其能效高，绿色环保，不受电磁干扰影响，兼具照明和定位两种功能等优势而成为近年来的一个研究热点，基于可见光通信的室内定位技术也随之被提出。

其原理是将需要传输的信息(灯具安装ID)编译成一段调制信号，用脉宽调制的方法附加到LED灯具的驱动电流上，利用室内无处不在的照明光源作为发射载体，当用户进入灯具照明区域，利用智能手机的前置摄像头(或是外设模块)接收并识别光信号，解析出灯具发送的唯一识别信息。利用所获取的识别信息在地图数据库中确定对应的位置信息，完成定位。相比较其他定位技术，免去了基于位置信号强度的定位算法以及信息处理过程[1]。

表1 几种室内定位技术比较

Table 1 Comparison of several indoor positioning techniques

名称定位精度定位方法抗干扰穿透性数据通信传输距离建设成本UWB25cm～30cm三边定位较好好好远极高WiFi2m～50m场景分析、三边定位较差好好远低蓝牙10cm～10m临近感知、三边定位差较差较好近低VLC2cm～1m临近感知较好无较好近低Zigbee1m～2m临近感知较差好较差远高射频识别5cm～5m临近感知较好较差较差近高视觉图像1cm～1m场景分析好较差无近高红外线5～10m临近感知好较差无近高超声波1～10cm三边定位好较差无近高

3 室内定位算法

目前室内定位算法有很多(图1)，一般都是基于几何测量的定位算法，在室外环境中应用非常可靠，但在室内环境中，受环境变化较大，可视距离较短，对定位精度要求较高。

图1 定位算法分类[2]
Fig.1 Location algorithm classification

3.1 几何测量

这类方法是利用测量待测点与已知位置(参考点)之间的几何关系，再通过运算获取待测点的位置信息。主要有三边定位法、三角定位法和双曲线定位法。

三边定位法就是测量待测点到三个不同直线上的参考点间的距离，以这三个参考点为圆心，通过测量三边距离为半径做出三个圆的交点就是待测点的位置。其他两种方法都是基于各自的数学关系进行测量。基于测量距离的测量方法有信号到达时间(Time of Arrival，TOA)、信号到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)、信号往返时间(Return Time of Flight，RTOF)、信号强度(Received Single Strength，RSS)。

无论哪种无线通信技术，都可采用基于几何关系算法定位，需要将测试点与参考点之间进行数学运算，误差精度与信号覆盖密度有直接关系。

3.2 场景分析

通过观察空间场景中的信号强度特征来推断待测目标的位置——指纹识别法。场景分析法主要包括两个阶段，离线勘测阶段和在线定位阶段。离线勘测首先要建立一个特定场景特征信息与移动设备之间的对应关系数据库，通过特征比对进行位置测定。而在线定位则是通过实时测量空间中各个用户信号特征再与下一时段在数据库中的特征信息比对，从而实时确定目标的位置。

基于Wifi信号的位置指纹定位是根据不同位置下接收到的信号强度向量，通过实时采集的信号强度与数据库信号空间中储存的信息向量，进行匹配算法实现定位。

3.3 临近感知

通过将接收到附近信息发送基站与已建立的基站位置地图数据库进行比对，确定当前位置。特别适用于可见光通信定位，在室内天花板上布置多个携带信息的LED灯阵列。每个LED灯作为进入地图数据库入口，实时传送着自身位置的光信号。当用户终端在LED灯阵列中移动时，就可获取该灯的位置信息。只需将接收到的信息与地图数据库中灯具位置进行比对即可，省去利用接入服务器计算的时间。

4 可见光通信与智能照明融合

当节能降耗成为LED照明市场核心竞争力的同时，在“绿色建筑”建设过程中，智能照明系统所带来的效果非常显著。使得照明系统工作在全自动状态，系统按预先设定以及各种传感节点的基本状态进行工作，这些状态会按设定的时间、环境进行相互自动切换。例如随着自然光照射到室内某些区域时，该区域会跟着自然光线进行缓慢变化，实现智能照明的光照补偿。

如同前面所述，户外LED智能路灯是利用路灯控制平台实现建设智慧城市，同样可以采用智能照明控制平台管理室内环境下的信息处理技术。近几年兴起的可见光通信技术将LED照明的应用从单一的智能照明推向了信息发展领域，特别是室内定位领域。通过与其他室内定位技术比较，可见光通信定位的缺点也是很明显的。在互联网、物联网时代背景下，任何技术融合都变得更有可能。若将可见光通信模块与Wifi模块一起嵌入到照明灯具中，很容易实现无线Wifi全覆盖、高精度定位、智能照明，突破可见光通信在数据上传、穿透性方面的限制(图2)。

可见光通信是以照明为前提，将可见光通信做为附加的应用方式，比如可以在商场、超市、地铁、地下车库等公共建筑内，方便找到商品、公共设施、车位。基于可见光定位的室内定位实现较为简单，其性能取决于所布置的LED灯疏密。虽然基于LED可见光通信的室内定位研究还处于技术研究起步阶段，真正走向技术应用还需解决：①设计便于携带使用的硬件；②解决软件管理平台谁来建，谁来用，如何运营等问题；③融合其他无线通信手段，寻求多技术互补。

图2 可见光通信定位特点
Fig.2 Positioning features of visible light communication

5 结论

本文介绍了目前城市物联网的典型案例，围绕智能照明管理平台的发展，对可见光定位技术应用于室内定位做了重点介绍。

目前大多数室内定位技术基本都能够完成简单的定位任务，但是与真正的“智能定位”的目标还有一定的差距。可见光通信定位与Wifi或其他技术融合互补，取长补短，可以实现更优化、更高精度、更稳定、成本更低的解决方案，同样需要解决协议标准化、定位算法改进、管理平台搭建、运营推广等种种阻扰和挑战。

参考文献：

[1] 娄鹏华, 张洪明, 郎凯, 等. 基于室内可见光照明的位置服务系统[J]. 光电子·激光, 2012, 12:11.

[2] 赵嘉琦, 迟楠. 室内LED可见光定位若干关键技术的比较研究[J]. 灯与照明, 2015, 34:41.

Indoor Positioning Application of Visible Light Communication in Intelligent Lighting

NIU Yanfang1， SUN Dedong2

(1.Beijing Shenan Investment Group CO. Ltd, Beijing 102602， China;2.STATE GRID Information & Telecommunication Group Co.Ltd.,Beijing 100031, China)

Abstract：In this paper, the progress and development of information technology based on intelligent lighting control platform is summarized, which leads to the development of the positioning technology of visible light communication. Several indoor positioning technologies were compared and it was found that a single technology can not completely solve the indoor positioning requirements. If relying on intelligent lighting control platform, visible light communication and positioning might be the most commercialized and industrialized way. The integration of visible light communication and intelligent lighting technology not only provide people with a good lighting, but also provide information services, such as business information push, emergency rescue, public facilities, as well as accurate search.

Key words：smart lighting; visible light communication; indoor positioning

基金项目：国家电网公司重点科技项目：《面向电网业务应用的可见光通信技术研究》(合同编号：SGHAZZ00FCJS1500238)

中图分类号：TN929.12

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.021